【摘 要】
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农用无人机特别是多旋翼无人机因作业效率高、机动灵活等特点,近年来在农情信息快速获取、空中农药喷洒、播种、施肥、森林灭火等方面取得了长足发展。利用农药喷洒无人机,可有效避免田间作业人员与农药的接触,减少农药对田间作业人员的危害。但是,由于无人机单次携带药量和续航能力有限,需返回到固定降落点才能更换药液或电池,大大影响作业效率。若装载无人机、药罐和蓄电池等的机动作业平台,能根据无人机的作业位置在一定范
【基金项目】
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国家重点研发计划课题—西北干旱地区玉米基肥变量施用技术与装备研究（编号:2016YFD020060101）；
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农用无人机特别是多旋翼无人机因作业效率高、机动灵活等特点,近年来在农情信息快速获取、空中农药喷洒、播种、施肥、森林灭火等方面取得了长足发展。利用农药喷洒无人机,可有效避免田间作业人员与农药的接触,减少农药对田间作业人员的危害。但是,由于无人机单次携带药量和续航能力有限,需返回到固定降落点才能更换药液或电池,大大影响作业效率。若装载无人机、药罐和蓄电池等的机动作业平台,能根据无人机的作业位置在一定范围内移动,无人机自动降落在移动平台上补药,便可缩短补药、更换电池的飞行距离,提高作业效率。基于该思想,本文以四旋翼无人机为研究对象,采用北斗定位系统和视觉定位系统相结合,研究农用无人机自主精准机动平台降落技术,实现农用无人机能够自主精准降落至机动储药车上,为农药喷洒无人机实现自动化、智能化高效作业提供有效技术支持。本文主要工作及结论如下:（1）研究并提出无人机自主精准机动平台降落方案。通过分析及试验,将无人机自主精准机动平台降落过程分为距平台较高、距平台较近、即将着陆三个阶段,采用不同的调控策略和方法,提高自主降落精度和可靠性。当无人机距地面较高时,飞行控制器分别接收移动平台和无人机位置数据,计算无人机和移动平台的相对位置以调整无人机飞行姿态,使其靠近移动平台;当无人机距移动平台较近时,采用视觉定位,检测移动平台着陆标志与无人机的相对位置信息,以调整无人机飞行姿态靠近移动平台;在即将着陆时,用超声波模块实时测量无人机与移动平台距离,当测距值小于16cm时,触发无人机着陆脚架上的电磁铁回路,使电磁铁带电与移动平台上铁板吸合,实现无人机稳定着陆。（2）研究并设计了基于北斗卫星的移动平台定位方案和定位方法。分别选择BN-880和BD-357模块作为无人机和移动平台的北斗卫星定位模块,设计了2个北斗卫星定位模块数据接收、无线数据发送和飞行控制算法,在无人机距移动平台较高时,实现了由无人机飞行控制器检测移动平台的位置后,根据相对位置使无人机向地面移动平台靠近。同时,采用动态均值法实时更新位置数据,来提高定位精度。数据分析结果表明,采用相对定位方法定位精度在1.5 m内,满足系统要求。（3）设计、实现了基于机器视觉的移动目标精准检测及定位方法。为提高无人机距移动平台较近时的降落精准度,研究设计了一种具有嵌套特征的无人机着陆标志,构建了着陆标志与无人机实际距离模型,并用Open MV视觉处理模块对标志进行识别和定位。分别对设计的着陆嵌套内外标志Tag16h5和Tag36h11进行识别试验,结果表明,在X、Y、Z方向上,构建的距离模型预测值和实际值间的决定系数R~2分别为0.991、0.989、0.939以及0.996、0.998、0.973,具有较高的测量精度,且着陆标志算法识别率为97.5%,有较高的识别率和鲁棒性。（4）设计了一种无人机防跌落着陆吸附固定装置及减震结构。移动平台采用磁性材质,并在下方装有弹簧,起到减震作用,无人机着陆时通过测距值触发继电器,使电磁铁带电吸合,实现无人机可靠、安全、稳定着陆至移动平台,避免无人机着陆不稳从平台上跌落。（5）完成了无人机自主精准机动平台降落系统的硬件搭建和软件设计。采用Ubuntu搭建无人机飞控开发环境,设计了无人机自主精准降落过程的主程序,并对无人机与各外接传感器的数据通信过程进行了程序设计。使用Mission Planner软件为地面站进行无人机试验飞行测试。在室外空旷环境中对系统进行了定点降落测试和移动降落测试。试验结果表明,无人机系统定点降落至移动平台时平均降落误差为6.78 cm,当平台以3 km/h移动时,无人机系统移动降落平均误差为13.29 cm。
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